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Streckenvortriebsmaschine für den Tunnelbau und untertägigen Bergbau
Die Erfindung betrifft eine Streckenvortriebsmaschine für den Tunnelbau und untertägigen
Bergbau mit einem nach rückwärts austragenden Fördermittel und einem drehbaren Bohrkopf
mit rotierenden, Schneidmeißel tragenden Scheiben.
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Es ist eine Maschine zum Auffahren unterirdischer Strecken, z. B.
Tunnel, Stollen, Schächte, mit einem in Richtung der Stollenachse beweglichen Maschinengestell
und einem um die Längsachse des Maschinengestells drehbar gelagerten Werkzeugträger
bekannt, in dem ein oder mehrere Fräserwerkzeuge gelagert sind. Einzelne der in
üblicher Weise arbeitenden Fräswerkzeuge, z. B. um ihre Achse rotierende Frässchreiben
mit radial angeordneten Fräsmessern, hinterschneiden das aufzufahrende Gebirge und
bewirken auf diese Weise zum Vorschub erforderliche Kräfte. Die Fräswerkzeuge tragen
Messerköpfe mit radial nach außen weisenden und in tangentialer Richtung wirkenden
Messern. Die Drehachsen der Messerköpfe verlaufen in bezug auf die Längsachse des
Maschinengestells schräg. Durch die schraubenlinienfönnige Bewegung der Messerköpfe
entsteht eine kreisringförmige Ausnehmung an der Ortsbrust. Der in der Mitte stehenbleibende
Bohrkern wird abgebrochen. Dadurch wird das Gebirge mit den Umfangskanten der Messerköpfe
bearbeitet und entlang einer Schraubenlinie hinterschnitten. Zum Ausgleich auftretender
Mitdrehmomente sind Bremsmesser erforderlich.
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Es sind auch bereits Vortriebsmaschinen bekannt, bei denen die Drehachse
der Schneidscheiben gegenüber der Vortriebsrichtung geneigt ist. Bei einer dieser
Maschinen sind die Schneidmeißel auf der Vorderseite der Scheiben angeordnet. Diese
bekannten Maschinen fallen schwer aus und erfordern einen bestimmten Andruck an
die Ortsbrust.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Streckenvortriebsmaschine
für den. Tunnel- und untertägigen Bergbau zu schaffen, die robust ist und im Betrieb
nicht gegen die Ortsbrust gedrückt werden braucht. Ferner soll die Maschine von
leichter Bauart und geringer Sperrigkeit sein. Das wird gemäß der Erfindung durch
die Kombination folgender, teilweise bekannter Merkmale erreicht: a) Die Achsen
der die Schneidmeißel tragenden Scheiben sind gegenüber der Vortriebsrichtung schräggestellt;
b) die Schneidmeißel sind in Randnähe der Scheiben so angeordnet, daß die
jeweils arbeitenden Meißel über den vorderen Schneidkantenabschnitt hinausragen;
c) die Schneidmeißel sind gerichtet und beschreiben mit ihren Spitzen an der Ortsbrust
Teile einer Zykloide.
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Dabei sind die Scheiben in bekannter Weise zur Vortriebsrichtung schräggestellt
und zusätzlich geneigt.
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Durch die sich auf Teilen einer Zykloide bewegenden Spitzen der' Schneidmeißel
werden zwei vorteilhafte Wirkungen erreicht. Die eine besteht darin, daß die Schneidmeißel
während einer Umdrehung der sie tragenden Scheibe von der Ortsbrust des zu bearbeitenden
Gebirges abgehoben und wieder in sie eingesenkt werden. Hierzu tritt im Gegensatz
zum Drehen oder Bohren nicht nur eine zerspanende Wirkung ein, sondern die Schneidmeißel
werden auch nicht überhitzt. Die andere vorteilhafte Wirkung besteht darin, daß
die Maschine keinen Vorschubdruck benötigt, d. h., die die Schneidmeißel
tragenden Scheiben brauchen nicht gegen die Ortsbrust gedrückt zu werden. Die Maschine
frißt sich sozusagen selbst in den Stoß. Ein Bohrkern, der später abgebrochen werden
müßte, bleibt nicht stehen. Da sich die verschiedenen Rückdrehmomente ausgleichen,
ist ein besonderes Bremsmesser nicht
erforderlich. Schließlich wird
auch die Vortriebsleistung gesteigert.
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Um auch Hohlräunie mit verschieden geformten Querschnitten herstellen
zu können, sind um den die Scheiben tragenden Bohrkopf mehrere sich drehende Schneidscheiben
am Ende von ausziehbaren Armen angeordnet, die Kreisbewegungen ausführen. Bei einer
Ausführungsform gleiten die Arme an mit Verzahnungen versehenen' Führungsarmen entlang,
wobei die an mit Verzahnungen versehenen Führungsrahmen entlanggleiten, wobei Ritzel,
die hinter jeder Schneidscheibe angeordnet sind, mit den Verzahnungen im Eingriff
stehen.
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Damit sich die Schneidscheiben an bestimmten Stellen mit verschiedenen
Geschwindigkeiten bewegen, sind bei einer Ausführungsform mehrere verschieden große
Ritzel auf der Achse jeder Scheibe angeordnet, die abwechselnd mit den ihnen entsprechenden
Verzahnungen in Eingriff kommen, die entsprechend der Lage der Ritzel versetzt angeordnet
sind.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 die Maschine in Seitenansicht, F i
g. 2 die Maschine von vorn, F i g. 3 und 4 schematisch die Wirkungsweise
der Maschine, F i g. 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in
Seitenansicht, teilweise geschnitten, F i g. 6 die Maschine nach F i
g. 5 von vorn, F i g. 7 eine Vorrichtung zum Verstellen der
Schneldscheiben in Ansicht, teilweise geschnitten, und F i g. 8 die Vorrichtung
zum Bewegen einer Schneidscheibe mit verschiedenen Geschwindigkeiten in schaubildlicher
Ansicht.
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Die Streckenvortriebsmaschine gemäß der Erfindung hat einen Bohrkopf
1 mit zwei kreisförmigen Schreiben 2, 2a, die am Bohrkopf um ihre Achse drehbar
gelagert sind. Jede Scheibe trägt auf ihrer Vorderseite Schneidmeißel
3. Die Scheiben sind gegenüber der Vortriebsrichtung schräggestellt. Der
Bohrkopf 1 hat einen mittleren Führungsbohrer 4 und ist am Ende einer Ummantelung
5 angeordnet, die eine Schnecke 6 trägt. Die Ummantelung mit der Schnecke
ist am Ende eines von mehreren Teleskoprobren 7 angeordnet. Der Bohrkopf
1 ist mit einem schaufelartigen Ansatz 8 versehen, durch den das anfallende
Bohrklein der Förderschnecke 6 zugeführt wird.
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Die Vortriebsmaschine arbeitet wie folgt: Der Führungsbohrer 4 ritzt
zunächst das zu bohrende Gebirge R an. Er dreht sich in Richtung des Pfeiles
f 1, während der den Führungsbohrer tragende Bohrkopf 1 sich
in Richtung des Pfeiles f 2, also in diesem Fall in umgekehrter Richtung, dreht.
Dadurch wird das Rückdrehmornent des Führungsbohrers ausge-glichen. Infolge
der Drehung des Bohrkopfes 1, der Eigendrehung der Scheiben 2, 2a und auf
Grund ihrer Stellung können die Schneidmeißel 3 den Stoß einzeln bearbeiten
und sich anschließend nach Art schlagender Bohrmeißel (vgl. F i g. 3 und
4) wieder von ihm abheben. Die Bewegungsbahn 3 a der in den Stoß schlagenden
Meißel ist in F i g. 4 dargestellt. Die einzelnen dargestellten Bewegungsbahnen
ergeben sich aus der Drehung der Scheibe, die die Meißel trägt und aus der Drehung
des Bohrkopfes 1. Die Bewegungsbahnen 3 a stellen Teile einer Zykloiden
dar. Die Drehrichtung der Scheiben ist beliebig; die durch den Pfeil f 3
in F i g. 1 und 2 angegebene Drehrichtung ist nur ein Beispiel. Die Drehrichtung
der Scheiben bewirkt in diesem Fall, daß das Rückdrehmoment des Führungsbohrers
4 ausgeglichen und ein Beitrag zum Ausgleich der übrigen Drehmomente beim Arbeiten
der Maschine geleistet wird.
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Die von den nacheinander für kurze Zeit wirksam werdenden Schneidmeißeln
vom Stoß gelösten Berge werden von der Schnecke 6 auf der Ummantelung
5,
die sich um sich selbst in Richtung des Pfeils f 4 drehen, aus dem
erbohrten Hohlraum 9 gefördert. In gleichem Maße wie der Bohrkopf
1 in das Gebirge eindringt schieben sich die Teleskoprohre 7 auseinander
und drücken den Bohrkopf nach vorn in seine Arbeitsstellung. Die anfallenden Berge
oder Gesteinsbrocken, die von der Schnecke 6 aufgenommen werden, können auch
unter Zuhilfenahme der ausgefahrenen Rohre 7 aus dem Bohrblech gefördert
werden. Zu diesem Zweck ist eine nicht dargestellte öffnung in der Ummantelung
5 vorgesehen, 'durch die das von der Förderschnecke 6 aufgenommene
Gestein in das Innere der Rohre gelangt. Bei einer anderen Ausführungsform kann
die öffnung in der Ummantelung 5 unmittelbar hinter dem schaufelartigen Ansatz
8 des Bohrkopfes 1 vorgesehen sein. Die Kabel zum Zuführen elektrischer
Energie, z. B. für den in dem Bohrkopf 1 vorgesehenen Elektromotor, sind
ebenfalls in den auseinanderschiebbaren Rohren 7 vorgesehen. Hydraulische
oder mechanische Vorschubeinrichtungen, die zum Auseinanderschieben der Rohre
7 dienen, sind gleichfalls im Bohrkopf 1 vorgesehen. Der Bohrkopf
ist stets durch ein Einmannloch zugänglich, das in einem der Rohre 7 vorgesehen
ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Scheiben
2 in ihrer Neigung einstellbar sein. Die Anwendung des Führungsbohrers ist freigestellt;
es kann auf ihn auch verzichtet werden.
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Mit Hilfe der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Maschine
können zylindrische Hohlräume hergestellt werden. Durch relative Einstellung der
die Schneidmeißel tragenden Scheiben untereinander und in bezug auf die verschiedenen
geometrischen Achsen des Bohrkopfes können Hohlräume mit verschiedenen Querschnitten
hergestellt werden. Hohlräume mit ovalem oder rechteckigem Querschnitt können mit
Hilfe einer oder mehrerer zusätzlicher Schneidscheiben gebohrt werden, die an dem
Ende eines ausziehbaren Armes angeordnet sind, dessen Ende eine dem Umfang des gewünschten
Querschnittes entsprechende Bahn beschreibt. Zur Steuerung des Armes dient ein Führungsrahmen,
der dem gewünschten Umfang entsprechen kann.
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In den F i g. 5 bis 8 ist eine solche Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Die Maschine ist verhältnismäßig kurz und hat keinen
Führungsbohrer, wodurch die Richtungsänderung der Maschine erleichtert wird. Die
Vortriebsmaschine hat einen Bohrkopf 1 mit drei Scheiben 2, 2 a, 2
b, die mit den Schneidwerkzeugen 3 versehen sind. Jeder der Schneidmeißel
3 bearbeitet den Stoß und hebt sich anschließend gleich wieder von ihm ab
nach Art eines schlagenden Bohrmeißels, wie die F i g. 3 und 4 zeigen. Die
drei Scheiben 2, 2 a, 2 b bewegen sich in verschiedenen Bereichen,
so daß das Gebirge in Stufen X, Y, Z abgetragen wird. Auf diese Weise wird
das
Ausbrechen und Hereingewinnen desjenigen Teiles des Stoßes erleichtert, der bereits
auf einer Seite eines Absatzes freigelegt ist, und zwar durch die davorliegende
Scheibe. Man erhält hierdurch eine gröbere Körnung der gelösten Berge und erzielt
eine Einsparung an Energie und eine Verminderung des Werkzeugverschleißes. Auf Grund
der nur vorübergehenden Berührung der Schneidwerkzeuge mit dem zu lösenden Gestein
erwärmen sich diese nicht.
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Der Durchmesser der die Schneidwerkzeuge tragenden Scheiben kann beliebig
gewählt werden. Für eine gute Angriffswirkung auf den Gebirgsstoß, für die Erzielung
einer guten Vortriebsleistung und um das gelöste Gestein gut und schnell abfördern
zu können, kann der Durchmesser einer Scheibe und damit der Durchmesser der Schneiden
wesentlich größer gewählt werden, als es der Breite des abzubohrenden Absatzes entspricht.
In diesem Fall befindet sich nur ein Teil der Scheibe gegenüber der Abstufung, wobei
die Scheibe in einem Winkel zum Abbaustoß steht und hierbei eine Drehung um ihre
eigene Achse sowie ferner eine allgemeine kreisförmige Bewegung mit einem Durchmesser
ausführt, der mehr oder minder dem mittleren Durchmesser der Abstufung angenähert
ist.
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Die Vortriebsmaschine dieser Ausführung weist Schneidmeißel tragende
Scheiben 10, 10 a, 10 b, 10 c auf, die am Ende von gelenkig
angeordneten, ausziehbaren Armen 11, 11 a, 11 b, 11
c angeordnet sind. Diese Schneidscheiben erlauben es, verschiedenartig gerade oder
gewölbt geformte Querschnitte für den zu erbohrenden Hohlraum herzustellen. Die
Schneidscheiben 10, 10 a, 10 b, 10 c beschreiben eine
dem Umfang des gewünschten Querschnittes entsprechende Bahn. Einer oder mehrere
Führungsrahmen 12, die dem Umfang des gewünschten Querschnittes entsprechen, dienen
zur Führung und Verstellung der Schneidscheiben an den Enden der ausziehbaren Arme
11, 11 a, 11 b, 11 c, wie F i g. 6 zeigt. Die
Schneidscheiben 10 bis 10 c folgen Führungsbahnen 13, die in
dem Führungsrahmen 12 vorgesehen sind. Der Führungsrahmen trägt außerdem Verzahnungen
14, in die ein in F i g. 7 erkennbares Zahnrad 15
eingreift, das auf
der Achse 16 jeder Schneidscheibe vorgesehen ist, die dadurch vorwärts und
hin und her bewegt wird.
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Um sowohl die Höhe als auch die Breite und auch die Form des zu erstellenden
Hohlraumes während des Vortriebes der Maschine zu ändern, kann der Führungsrahmen
12 beweglich oder verstellbar ausgebildet sein, wodurch die Schneldscheiben einen
veränderlichen Weg beschreiben und hierdurch dem zu erstellenden Hohlraum eine wechselnde
Form und wechselnde Abmessungen geben. Die Schneidscheiben 10 bis
10 c drehen sich um sich selbst und machen sowohl eine selbständige Vorwärtsbewegung
als auch die allgemeine kreisförmige Bewegung des Bohrkopfes 1. Eine Kette,
ein Kabel oder eine hydraulische Verstellvorrichtung kann die vorgesehene Verzahnungsvorrichtung
am Umfang ersetzen. Die Bewegung der mit Werkzeugen versehenen Scheiben
10 bis 10 c ist etwas exzentrisch und derart gewählt, daß die
Geschwindigkeit und der Arbeitsaufwand weitgehend ausgeglichen sind. Es kann vorteilhaft
sein, wenn die Schneidscheiben sich an bestimmten Stellen mit verschiedenen Geschwindigkeiten
bewegen. In einem Bogenstück, das z. B. zwei gerade Teile des Umfanges miteinander
verbindet, kann eine Verlangsamung der Vorwärtsbewegung eintreten, während in anderen
Fällen im Gegensatz hierzu die Durchschnittsgeschwindigkeit einer Scheibe gegebenenfalls
erhöht werden muß, z. B. an solchen Teilen der Bohrsohle, die durch ein vorhergehendes
Werkzeug freigeräumt wurden. Hierzu sind, bei einem Ausführungsbeispiel wie in F
i g. 8 ersichtlich ist, zwei oder mehrere parallel übereinander angeordnete
Verzahnungen 100 und 101 vorgesehen, die gegeneinander versetzt sind.
Zwei oder mehrere Ritzel 15 a und 15 b sind auf der
Achse der Schneidscheibe angeordnet. Diese Ritzel sind von unterschiedlichem Durchmesser
und stehen abwechselnd mit den ihnen entsprechenden Verzahnungen im Eingriff. Eine
Unterbrechung in der einen Verzahnung, z. B. im Teil 100 a der Verzahnung
100, entspricht ein verzahnter Teil, z. B. 101, der zweiten Verzahnung derart,
daß einmal das Ritzel 15 b und das andere Mal das Ritzel 15a mit seiner
jeweiligen entsprechenden Verzahnung in.Eingriff kommt. Auf Grund der verschiedenen
Durchmesser der Ritzel 15a und 15b verstellt sich die Schneidscheibe mehr
oder weniger schnell entsprechend dem Eingriff des jeweils wirksamen Zahnrades in
seine Verzahnung. Die gleiche Bewegung läßt sich durch hydraulische Kolben oder
kombinierte Nocken und Kurvenscheiben erreichen.
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Das Abfördern des hereingewonnenen Gesteins erfolgt mit Hilfe einer
Kratzerkette oder eines Stegbandes 17, das hinter den die Schneidmeißel tragenden
Scheiben an einem Schild 18 der Maschine vorgesehen ist. Beim Zersplittern
des gelösten Gesteins fällt ein großer Teil hiervon während des Vortriebes nach
rückwärts herunter und somit unmittelbar auf die Kette oder das Stegband. Schaufeln,
Ansätze oder Propeller sind auf den Schneidscheiben oder auf mit den Armen
11, 11 a, 11 b, 11 c vergleichbaren anderen Armen vorgesehen.
Diese Hilfsmittel dienen dazu, das Beladen der Kette 17 zu erleichtern, indem
sie bei jedem Lauf das heruntergefallene oder zur Seite geworfene Gestein der Kette
zuführen. Die Kratzerkette oder das Stegband 17 heben das hereingewonnene
Gestein bis auf die Höhe eines Austragskastens 19, der an einer Seite vorgesehen
ist und der eine AbförderöffrLung 20 an der Oberseite hat. Durch sie gelangt das
hereingewonnene Gestein nach hinten in eine Förderrinne 21, die nach Bedarf mit
einer Förderschnecke 22 ausgerüstet ist (F i g. 5). Von dieser Förderrinne
aus kann das hereingewonnene Gestein in bekannter Weise weiterbefördert werden.
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Die Streckenvortriebsmaschine ist, wie F i g. 5
zeigt, durch
zwei Räder 28 oder durch angetriebene Raupenketten verfahrbar. Sie kann mit
Hilfe der Steuerräder oder -rollen 29 in jede beliebige Richtung bewegt werden.
Diese Rollen sind am Ende drehbarer und gegebenenfalls ausziehbarer Arme
30
vorgesehen, die von hinten durch die Handräder 31
einstellbar sind,
und zwar direkt oder mit Hilfe einer hydraulischen Einrichtung. Durch Einstellen
der Neigung der Anne 30 kann der Maschine eine beliebige und unterschiedliche
Vortriebsrichtung gegeben werden. Vorzugsweise sind vier Rollen 29 auf gelenkigen
und gegebenenfalls ausziehbaren Armen angeordnet, die sich in den vier Ecken der
Strecke abstützen. Die Maschine kann von unten nach oben verstellt werden. In diesem
Fall sind Druckrollen und hydraulische Stützen (F i g. 5) vorgesehen, die
die Maschine abstützen und sie in der Strecke in
Bohrstellung halten.
Die Maschine kann auch leicht um sich selbst gedreht, die Strecke winklig auffahren
und schnell wieder an ihren Ausgangspunkt zurückgefahren werden.